(57)【要約】  【課題】動作設計温度が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合でも、各発熱体を所望の温度まで冷却できる冷却装置を提供することを目的とする。  【解決手段】最も低温に保たれる低温発熱体１１に熱電冷却デバイス１９を介して冷却プレート１４が接続されることにより、循環する流体の温度よりも低い温度を熱電冷却デバイス１９の冷却効果によって作り出すことで、動作設計温度が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合でも、熱電冷却デバイス１９を介して冷却プレート１９と接続された低温発熱体１１を所望の低温に保つことができる。【選択図】図１
2005300059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発熱体の各々に対応して熱的に接続され、かつ内部を流体が流れる複数の冷却プレートと、前記各冷却プレート内に流体を循環させる流体循環手段と、前記流体を冷却する流体冷却手段と、少なくとも一つの冷却手段としての熱電冷却デバイスとを備え、少なくとも前記発熱体の中で最も低温に保たれる発熱体に、前記熱電冷却デバイスを介して前記冷却プレートを熱的に接続した冷却装置。
【請求項２】
少なくとも一つの発電手段としての熱電発電デバイスを備え、前記発熱体の中で最も高温に保たれる発熱体に、前記熱電発電デバイスを介して前記冷却プレートを熱的に接続した請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記熱電発電デバイスによって生じる電力によって前記熱電冷却デバイスを駆動する請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記流体循環手段をポンプとし、前記熱電発電デバイスによって生じる電力によって前記ポンプを駆動する請求項２または３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記流体冷却手段を、放熱器とこの放熱器に気流を送風するファンより構成し、前記熱電発電デバイスによって生じる電力によって前記ファンを駆動する請求項２乃至４のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記流体冷却手段からの流体が、最初に熱電冷却デバイスを備えた前記冷却プレートに流入するように連結された請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記流体循環手段からの流体が、最初に前記流体冷却手段に流入するように連結された請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記複数の冷却プレートの中で、前記熱電発電デバイスを備えた冷却プレートが最も下流側となるように連結された請求項２乃至７のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項９】
内部を冷却流体が流れる複数の冷却プレートと、前記冷却流体の冷却を行う冷却手段と、前記冷却流体を、前記冷却手段から前記各冷却プレートへ循環させる流体循環手段と、発熱温度が異なる複数の発熱体を具備し、前記複数の冷却プレートを、前記冷却流体が直列に流れるように接続した冷却装置であって、前記発熱温度が最も低い発熱体を前段に位置する冷却プレートと熱的に接続し、同様に発熱温度の低い順に順次前記発熱体を各冷却プレートと対応して熱的に接続し、発熱温度が最も高い発熱体を後段の冷却プレートと熱的に接続し、さらに、前記発熱温度の低い発熱体と冷却プレートの熱的接続を、熱電冷却デバイスを介して行い、前記発熱温度の高い発熱体に、該発熱体の発熱を電力に変換する発電手段を設けた冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は情報機器などのように複数もしくは複数箇所に発熱体を有する機器の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷却装置としては、複数のウォータージャケットとポンプと放熱パイプを組み合わせたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の冷却装置を示すサイクル図である。
【０００４】
同図に示すように、従来の冷却装置は、複数の発熱体１、２を冷却するウォータージャケット３、４と、これらのウォータージャケット３、４を冷やすための液体を流すパイプ５と、前記液体を循環させるためのポンプ６と、前記液体を冷却するための放熱パイプ７とからなり、前記複数のウォータージャケット３、４の熱を、前記共通のポンプ６と共通の放熱パイプ７で冷却することで、効率よく冷却ができるとしている。
【特許文献１】特開２００２−３７２３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の構成では、動作設計温度（発熱温度、発熱容量）が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合には、低温側の発熱体を所望の温度まで下げることは難しいという課題を有していた。
【０００６】
本発明は従来の課題を解決するもので、動作設計温度が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合でも、各発熱体を所望の温度まで冷却できる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の冷却装置は、複数の発熱体の各々に熱的に接続され内部を流体が流れる複数の冷却プレートと、流体を循環させるポンプと、流体を冷却する放熱器と、少なくとも一つ以上の冷却手段としての熱電冷却デバイスとを備え、前記冷却プレートと前記放熱器及び前記ポンプを回路的に連結し、少なくとも前記発熱体の中で最も低温に保たれる発熱体に、前記熱電冷却デバイスを介して前記冷却プレートを接続したものである。
【０００８】
これによって、循環する流体の温度よりも低い温度を、熱電冷却デバイスの冷却作用によって作り出すことが可能となる。
【０００９】
また本発明の冷却装置は、最も高温に保たれる発熱体に、発電手段としての熱電発電デバイスを介して前記冷却プレートを接続したものである。
【００１０】
これによって、熱電発電デバイスを最も高温で作動させ、高温発熱体の熱の一部を効率良く電力に変換することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の冷却装置は、冷却用の流体が循環する冷却システムにおいて、循環する流体の温度よりも低い温度を熱電冷却デバイスの冷却作用によって作り出すことで、動作設計温度が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合でも、前記熱電冷却デバイスを介して前記冷却プレートと接続された低温側の発熱体を所望の温度にまで下げることができ、前記低温側の発熱体を低温に保つことができる。
【００１２】
また本発明の冷却装置は、熱電発電デバイスを最も高温で作動させることによって、高温側の発熱体の熱の一部を効率良く電力に変換することができ、エネルギーの一部を回収できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、複数の発熱体の各々に対応して熱的に接続され、かつ内部を流体が流れる複数の冷却プレートと、前記各冷却プレート内に流体を循環させる流体循環手段と、前記流体を冷却する流体冷却手段と、少なくとも一つの冷却手段としての熱電冷却デバイスとを備え、少なくとも前記発熱体の中で最も低温に保たれる発熱体に、前記熱電冷却デバイスを介して前記冷却プレートを熱的に接続したもので、循環する流体の温度よりも低い温度を熱電冷却デバイスの冷却作用によって作り出すことができる。
【００１４】
その結果、動作設計温度が大きく異なる発熱体を複数用い、それらを冷却する場合でも、最も冷却が困難であった低温側の発熱体を、前記熱電冷却デバイスを介して前記冷却プレートと接続することにより、前記低温側の発熱体を所望の低温に保つことができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、少なくとも一つの発電手段としての熱電発電デバイスを備え、前記発熱体の中で最も高温に保たれる発熱体に、前記熱電発電デバイスを介して前記冷却プレートを熱的に接続したものである。
【００１６】
かかる構成とすることにより、前記熱電発電デバイスを最も高温で作動させ、高温側の発熱体の熱を効率良く電力変換に利用でき、エネルギーとして回収できる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、前記熱電発電デバイスによって生じる電力によって前記熱電冷却デバイスを駆動するものである。
【００１８】
かかる構成とすることにより、熱電冷却デバイスを作動させるための外部電力を不要にする若しくは減らすことができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、前記流体循環手段をポンプとし、前記熱電発電デバイスによって生じる電力によって前記ポンプを駆動するものである。
【００２０】
かかる構成とすることにより、ポンプを作動させるための外部電力を不要にする若しくは減らすことができるとともに、前記高温側の発熱体の発熱量に応じて前記ポンプの回転数を可変させ、流体の流量を変化させることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記流体冷却手段を、放熱器とこの放熱器に気流を送風するファンより構成し、前記熱電発電デバイスによって生じる電力によって前記ファンを駆動するものである。
【００２２】
かかる構成とすることにより、放熱器の放熱性能を高め、また、前記熱電発電デバイスによって生じる電力を、前記ファンの駆動電力に利用でき、前記ファンを作動させるための外部電力を不要にする若しくは減らすことができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、前記流体冷却手段からの流体が、最初に熱電冷却デバイスを備えた前記冷却プレートに流入するように連結したものである。
【００２４】
かかる構成とすることにより、最も低温の流体で熱電冷却デバイスを冷却することができる、前記熱電冷却デバイスを介して前記冷却プレートと接続された低温側の発熱体をより一層低温に保つことができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、前記流体循環手段からの流体が、最初に前記流体冷却手段に流入するように連結したものである。
【００２６】
かかる構成とすることにより、前記ポンプの発熱によって温度上昇した流体の温度を下げ、その流体を前記冷却プレートへ流入させるため、発熱体冷却作用への影響を最も小さくできる。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、前記複数の冷却プレートの中で、前記熱電発電デバイスを備えた冷却プレートが最も下流側となるように連結したものである。
【００２８】
かかる構成とすることにより、他の冷却プレートを流れる流体の温度上昇を抑えることができ、他の発熱体の冷却作用を阻害することがない。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
まず、冷却装置の全体システム構成について図１に基づき説明する。
【００３１】
図１において、冷却流体が循環する流体回路は、内部を冷却用の流体が流れる冷却プレート１４、１５、１６と、流体を冷却する放熱器１７と、流体を循環させるポンプ１８とから構成され、その配列は、前記ポンプ１８、放熱器１７、冷却プレート１４、１５、１６の順に流体が流れるように直列に連結されている。
【００３２】
前記流体の循環方向において前段に位置する前記冷却プレート１４は、冷却手段として後述する熱電冷却デバイス１９を介して最も低温に保たれる低温発熱体（発熱温度が最も低い発熱体）１１と熱伝達可能に接続されている。また、前記冷却プレート１５は、中温発熱体（発熱温度が前記低温発熱体１１よりも高い）１２と直接接続されている。さらに、前記冷却プレート１６は、発電手段としての熱電発電デバイス２０を介して最も高温に保たれる高温発熱体（発熱温度が前記中温発熱体よりも高い）１３と接続されている。
【００３３】
前記放熱器１７には、該放熱器１７へ冷却気流を送風するファン２１が備えられている。また、前記熱電発電デバイス２０の電気出力は、前記熱電冷却デバイス１９、前記ポンプ１８と前記ファン２１の電気入力にそれぞれ配線接続されている。
【００３４】
次に、図２により、前記低温発熱体１１と冷却プレート１４、および高温発熱体１３と冷却プレート１６それぞれにおける熱的接続（熱伝達）構造について説明する。
【００３５】
図２において、冷却プレート１４は、背壁１４ａと、伝熱壁１４ｂと、背壁１４ａと伝熱壁１４ｂに挟まれた流路１４ｃと、流路１４ｃに流体が流入する流入部１４ｄと流路１４ｃから流体が流出する流出部１４ｅとから構成される。ここで、前記流路１４ｃは、必要に応じて蛇行流路、並列複数流路等の構成として、流路長を確保し、冷却性能の向上を図ることも可能である。
【００３６】
前記熱電冷却デバイス１９は、ｐ型とｎ型の２種類からなる半導体熱電素子１９ａと、半導体熱電素子１９ａをｐ型とｎ型交互に直列接続した状態の電気回路を構成する電極１９ｂと、この電極１９ｂを内表面に備える絶縁基板１９ｃと、電気回路終端の端子１９ｄとから構成されている。
【００３７】
また、前記冷却プレート１４の伝熱壁１４ｂには、前記熱電冷却デバイス１９を収納する収納空間１４ｆが設けられており、その結果、前記伝熱壁１４ｂの周縁は、前記低温発熱体１１と熱伝達可能に接続されている。
【００３８】
かかる構成とすることにより、前記熱電冷却デバイス１９は、前記絶縁基板１９ｃの一方が冷却プレート１４の伝熱壁１４ｂと、他方が低温発熱体１１とそれぞれ密着している。そして、低温発熱体１１と密着している絶縁基板１９ｃ側が冷却側となるように通電されることにより、前記熱電冷却デバイス１９による前記低温発熱体１１の冷却が行われる。
【００３９】
また、高温発熱体１３と冷却プレート１６の熱的接続（熱伝達）構造についても、先の低温発熱体１１と冷却プレート１４の熱的接続構造と同様に構成されている。つまり、冷却プレート１６に熱電発電デバイス２０収納用の空間（図示せず）を形成し、その空間内に、周知の構成からなる熱電発電デバイス２０を前記高温発熱体１３と熱伝導可能に配置している。
【００４０】
かかる構成により、前記熱電発電デバイス２０は、高温発熱体１３から冷却プレート１６に放熱される熱量の一部をゼーベック効果によって電力に変換する。
【００４１】
次に、図３により、前記中温発熱体１２と冷却プレート１５の熱的接続（熱伝達）構造について説明する。
【００４２】
図３において、前記冷却プレート１５は、背壁１５ａと、伝熱壁１５ｂと、前記背壁１５ａと前記伝熱壁１５ｂに挟まれた流路１５ｃと、この流路１５ｃに流体が流入する流入部１５ｄと、前記流路１５ｃから流体が流出する流出部１５ｅとから構成されている。そして、前記伝熱壁１５ｂが中温発熱体１２と密着して取り付けられている。
【００４３】
かかる構成により、中温発熱体１２は、冷却プレート１５の伝熱壁１５ｂを介して冷却プレート１５と熱交換し、冷却される。
【００４４】
以上のように構成された冷却装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４５】
まず、ポンプ１８の駆動によって流体がポンプ１８、放熱器１８、冷却プレート１４、１５、１６の順に循環する。ここで流体は、まず放熱器１８によって冷却され、その後冷却プレート１４へ流入し、ここで一部は熱電冷却デバイス１９を介して低温発熱体１１を冷却する。
【００４６】
次に流体は、前段での冷却により若干の温度上昇を伴った状態で冷却プレート１５へ流れ込み、伝熱壁１５ｂを介して中温発熱体１２と熱交換し、中温発熱体１２を冷却する。
【００４７】
次に流体は、前段での冷却によりさらに温度上昇を伴った状態で冷却プレート１６へ流れ込み、ここで一部は熱電発電デバイス２０を介して高温発熱体１３を冷却する。
【００４８】
そして、前記各冷却プレート１４、１５、１６で吸熱し温度上昇した流体は、ポンプ１８により放熱器１７へ送出され、この放熱器１７で、ファン２１によって送風される気流と熱交換し冷却される。
【００４９】
この冷却用流体の循環状態において、前記低温発熱体１１は、一部冷却プレート１４との熱的接続によって冷却プレート１４から冷却されるものの、前記熱電冷却デバイス１９のペルチェ効果による冷却作用よって、前記冷却プレート１４を流れる流体よりも低温になるよう冷却される。
【００５０】
また、前記熱電発電デバイス２０は、高温発熱体１３から冷却プレート１６に放熱される熱量の一部をゼーベック効果によって電力に変換する。そして、この電力を前記熱電冷却デバイス１９、ポンプ１８及びファン２１を駆動するように供給する。
【００５１】
この電力供給は、前記熱電発電デバイス２０の発電容量に関係するため、前記負荷全てが賄えない場合もあり、この熱電発電デバイス２０で不足の分を、別電源（商用電源、バッテリー等）で補う制御としてもよい。
【００５２】
以上のように、本実施の形態においては、最も低温に保たれる低温発熱体１１に熱電冷却デバイス１９を介して冷却プレート１４が接続されることにより、循環する流体の温度よりも低い温度を熱電冷却デバイス１９の冷却効果によって作り出すことで、動作設計温度が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合でも、低温発熱体１１を所望の低温に保つことができる。
【００５３】
また、最も高温に保たれる高温発熱体１３に熱電発電デバイス２０を介して冷却プレート１６が接続されることにより、熱電発電デバイス２０を最も高温で作動させることよって、高温発熱体１３の熱の一部を効率良く電力に変換できエネルギーの一部を回収する効率的なシステムとなる。
【００５４】
また、前記熱電発電デバイス２０によって生じる電力によって、前記熱電冷却デバイス１９を駆動することにより、熱電冷却デバイス１９を作動させるための外部電力を最大で不要とすることができる。
【００５５】
また熱電発電デバイス２０によって生じる電力によってポンプ１８を駆動することにより、ポンプ１８を作動させるための外部電力を最大で不要とするとともに、高温発熱体１３の発熱量に応じてポンプ１８の回転数を可変させて流体の流量を変化させることができ、一定の範囲での冷却能力の制御も可能となる。
【００５６】
また、前記放熱器１７に気流を送風するファン２１を備え、前記熱電発電デバイス２０によって生じる電力によってファン２１を駆動することにより、前記放熱器１７の性能を高めるとともにファン２１を作動させるための外部電力を最大で不要とすることができる。
【００５７】
また、前記放熱器１７から流出した流体が、最初に熱電冷却デバイス１９を備えた冷却プレート１４に流入するように連結されることにより、最も低温の流体で熱電冷却デバイス１９を冷却（熱交換）することができるので、熱電冷却デバイス１９を介して冷却プレート１４と接続された低温発熱体１１をより一層低温に保つことができる。
【００５８】
また、前記ポンプ１８から吐出された流体が、最初に放熱器１７に流入するように連結されることにより、前記ポンプ１８の発熱によって流体が温度上昇する影響を最も小さくできる。
【００５９】
また、複数の冷却プレートの中で前記熱電発電デバイス２０を備えた冷却プレート１６が最も下流側となるように連結されることにより、他の冷却プレート１４・１５を流れる流体の温度の上昇を抑えることができ、他の発熱体１１・１２をより低温に保つことができる。
【００６０】
なお、本実施の形態１の熱電冷却デバイス１９は、ペルチェ効果を利用したものであったが、本発明における熱電冷却デバイス１９は、電子のトンネル効果を利用した冷却デバイスなどでも良い。
【００６１】
また、本実施の形態１の熱電発電デバイス２０は、ゼーベック効果を利用したものであったが、本発明における熱電発電デバイス２０は電子のトンネル効果を利用した発電デバイスなどでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明にかかる冷却装置は、動作設計温度が大きく異なる複数の発熱体を冷却する場合でも、各発熱体を所望の温度まで冷却できることが可能となるので、製造装置や理化学機器、家電機器等の用途にも広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置の全体システム構成図
【図２】同実施の形態１における冷却装置の低温発熱体を冷却する冷却プレートの構成を示す断面図
【図３】同実施の形態１における冷却装置の中温発熱体を冷却する冷却プレートの構成を示す断面図
【図４】従来例を示す冷却装置の全体システム構成図
【符号の説明】
【００６４】
１１  低温発熱体
１２  中温発熱体
１３  高温発熱体
１４、１５、１６  冷却プレート
１７  放熱器
１８  ポンプ
１９  熱電冷却デバイス
２０  熱電発電デバイス
２１  ファン
【図１】
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【図２】
2005300059.tif 000004
【図３】
2005300059.tif 000005
【図４】
2005300059.tif 000006